Errores de PID:Restablecer liquidación

PID ha servido a la industria de control de procesos durante más de una década y se ha consolidado como la técnica principal para el control de retroalimentación sistemas A lo largo de los años, la técnica ha experimentado una serie de actualizaciones y mejoras, dando paso a dispositivos neumáticos, electrónicos e informáticos, lo que garantiza un control más estricto de los procesos.

Uno de los primeros avances en los sistemas PID fue la acción integral, también conocida como reinicio de automatización, que mejoró significativamente el rendimiento de los controladores equipados con acción proporcional. Un controlador "solo P" aplica un esfuerzo correctivo proporcional a la diferencia entre el valor medido y el punto de ajuste, que se puede resumir como:

• Si la diferencia o el error aumentan, el controlador solo P responde con un esfuerzo de control positivo para reducir la diferencia.
• Si la diferencia disminuye, el controlador inyecta un esfuerzo de control negativo.

Toda la implementación es fácil de entender y mantener, pero tiene el defecto de la longevidad, lo que significa que a medida que disminuye el error, también lo hace el esfuerzo de control. Esto ralentiza la velocidad a la que se reduce el error, lo que aumenta el tiempo total necesario para que cese el error. Pero el error nunca deja de existir, ya que el controlador P deja el proceso con una ligera compensación.

Este error de estado estable se corrige a través de una acción integral que opera en paralelo al controlador P, asegurando que el esfuerzo de control se mantenga mientras el error tenga un valor distinto de cero. Esto compensa el controlador PI. Si bien este controlador asegura un esfuerzo constante para eliminar el error, da lugar a otros problemas. El problema más importante que surge es la inestabilidad de lazo cerrado, con la acción integral causando que la variable de proceso sobrepase el punto de ajuste deseado. Este problema se vuelve excepcionalmente dañino si el proceso de control es muy sensible, lo que hace que el sobreimpulso genere un error aún mayor en la dirección opuesta. Esto inicia otro proceso de eliminación de errores.

Para rectificar esto, los ingenieros utilizan técnicas analíticas para determinar las ganancias integrales y proporcionales que encajarían perfectamente en el proceso.

Error de restablecimiento de liquidación

Si se utiliza un gran esfuerzo de control para mitigar un error de magnitud significativa para un proceso cuyo actuador es demasiado pequeño, el resultado es un restablecimiento de la cuerda. El actuador se satura en un valor específico correspondiente a su salida máxima, incapaz de afectar más el proceso. El operador puede intentar mitigar el problema reduciendo el valor del punto de ajuste para que esté dentro del rango que puede alcanzar el actuador, pero esto no funcionará. ¿Por qué? Porque en ese momento el error integrado habría alcanzado un valor enorme y el controlador intentaría continuamente que el actuador generara una respuesta superior a su límite superior.

Sin embargo, si el punto de referencia se reduce lo suficiente, el error integrado comenzará a disminuir. Esto tendría que combinarse con una serie de errores negativos para cancelar el efecto de los errores positivos acumulados durante el tiempo que el actuador estuvo en estado saturado.

Otra forma de deshacerse de este error es instalar un actuador que sea lo suficientemente grande como para producir un cambio requerido para el proceso sin saturar.

La solución de carga previa

El restablecimiento de la cuerda también puede tener lugar si el actuador está apagado mientras el controlador está encendido. Por ejemplo, en el caso de un controlador en cascada, si el lazo interno está en modo manual, no tendría efecto sobre el controlador del lazo externo. Si el controlador de lazo exterior sigue funcionando, su acción integral “terminará”.

Una solución simple a este problema es que siempre que el actuador no esté funcionando, el integrador del controlador debe estar apagado. Otra solución es ajustar el punto de referencia al valor de la variable de proceso entre lotes. Sin embargo, existen mejores métodos para solucionar el reinicio de la liquidación.

En un escenario de precarga, la salida del integrador del controlador se corrige para que el proceso inicie el siguiente lote con el error que adquirió del lote anterior. Con la precarga, el restablecimiento puede continuar desde el lote anterior, lo que reduce el tiempo necesario para establecerse en un estado constante.

Esto funciona mejor si los lotes son idénticos para que el controlador tenga que obtener el mismo punto de referencia cada vez. Si los lotes no son idénticos, se debe usar un modelo matemático para predecir la acción integral requerida para la siguiente ronda. Este enfoque funciona para un proceso continuo si se modela antes de iniciar el proceso.

La solución de transferencia sin interrupciones

Sin embargo, la precarga puede provocar algunos contratiempos. Un problema potencial es el ajuste abrupto de la salida del actuador una vez que comienza cada ronda, lo que puede dañar el actuador. De manera similar, cuando el controlador cambia de modo automático a manual y viceversa, cualquier intento del operador de modificar el esfuerzo de control también puede dañar el actuador.

Bumpless Transfer utiliza precarga artificial para resolver estos contratiempos. El integrador se carga con el valor requerido para reiniciar los operadores, eliminando la necesidad de cambiar el esfuerzo de control. El controlador aún tendría que tener en cuenta los cambios en la variable del proceso o el punto de ajuste, pero habría menos saltos al cambiar al modo automático.

Complicaciones de tiempo muerto

El tiempo muerto es el tiempo que tarda la variable de proceso en ajustarse después de un cambio en el esfuerzo de control. Esto sucede cuando el sensor variable está demasiado aguas abajo del actuador. No importa cuánto lo intente el controlador, no puede aliviar el error hasta que cambien los parámetros físicos de los sensores.

A medida que el controlador intenta corregir los errores, tanto el error como la variable de proceso dejan de moverse, lo que da como resultado una acción integral cerrada como si el actuador estuviera apagado. Una solución a esto es disminuir la ganancia integral, lo que reduciría la acción integral máxima debido a la cuerda y eliminaría el tiempo muerto.

El problema también se puede resolver emitiendo la acción integral con un tiempo muerto, dando tiempo al búfer de liquidación para relajarse. Una forma de mejorar esta técnica es agregar intervalos intermitentes a la acción integral. Dejar que la acción proporcional funcione durante algún tiempo y luego encender la acción integral puede acortar el tiempo requerido para que el error sea cero.

Este es solo un ejemplo del uso de PID. Los algoritmos PID se han modificado en gran medida para tener en cuenta los actuadores de velocidad limitada, el ruido de medición de variables de proceso, los modelos de procesos variables en el tiempo, etc.

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